Ткаченко Виктор Иванович Доктор физ.-мат. наук, директор НПК ВИЭРТ ННЦ ХФТИ

История открытия водорода Распространенность водорода космос атмосфера Земли водород в Земной коре Физические, химические, энергетические свойства водорода свойства атома водорода свойства молекулы водорода свойства водорода в различных агрегатных состояниях Сравнительные энергетические характеристики водорода Химические реакции водорода взаимодействие с неметаллами взаимодействие с галогенами взаимодействие с щелочными металлами восстановление оксидов металлов гидрирование органических соединений

Водород - топливо будущего. История Родился 10 октября 1731 в Ницце. Окончил Кембриджский университет в 1753 году. Унаследовав крупное состояние, он тратил почти все доходы на проведение экспериментов. В 1766 году Кавендиш опубликовал первую важную работу по химии «Искусственный воздух», где сообщалось об открытии «горючего воздуха» (водорода). Выделил в чистом виде углекислый газ и водород, приняв последний за флогистон, установил основной состав воздуха как смесь азота и кислорода. Получил окислы азота. Сжиганием водорода получил (1784 год) воду, определив соотношение объёмов взаимодействующих в этой реакции газов. Дата рождения:10 октября 1731 Место рождения:Ницца Дата смерти:24 февраля 1810 Место смерти:Лондон Гражданство:Великобритания Научная сфера:Физика, Химия Место работы:Великобритания Альма-матер: Кембриджский университет Ге́нри Ка́вендиш Henry Cavendish

Антуан Лоран Лавуазье Antoine Laurent de Lavoisier Дата рождения: 26 августа 1743 г. Место рождения: Париж Дата смерти:8 мая 1794 г. Место смерти:Париж. С 1774 г. Лавуазье занимался изучением горения водорода, или как его называли тогда, «горючего воздуха», открытого в 1767 г. Кавендишем. Долго Лавуазье не мог прийти к определённому результату, так как предполагал найти, как продукт горения водорода, какую-нибудь кислоту. Одновременно с Лавуазье тем же вопросом занимались многие другие химики, Кавендиш, Пристли, Монж, Warllire и др. Только в 1783 г. Лавуазье и Лаплас нашли искомое: продуктом горения водорода оказалась чистая вода. Одновременно с ними то же было найдено Кавендишем и Ваттом. Но так как один Лавуазье в то время правильно понимал процесс горения, то он один из всех, кому стало известно это явление, правильно истолковал его и понял состав воды. В 1785 г. Лавуазье вместе с Менье получили, путём синтеза из водорода и кислорода, 45 г воды. Как и в других случаях Лавуазье и здесь не довольствовался одним синтезом. Вместе с Менье он производит в гг. разложение воды при помощи железа. Через раскалённый ружейный ствол они пропускали пары воды, и выделяющийся газ собирали: это был водород; железный ствол покрывался внутри слоем железной окалины, представляющей соединение железа с кислородом. Определив состав воды, Лавуазье затем правильно истолковал восстановление металлических окислов водородом и выделение водорода при действии кислот на металлы. Учение о кислороде, как о главном агенте горения, было встречено очень враждебно.

Происхождение названия Лавуазье дал водороду название hydrogène (от греческого hydor вода и gennao рождаю) «рождающий воду». Русское наименование «водород» предложил химик М. Ф. Соловьев в 1824 году. Распространенность водорода Водород самый распространённый элемент во Вселенной. На его долю приходится около 92% всех атомов (8% составляют атомы гелия, доля всех остальных вместе взятых элементов менее 0,1%). Таким образом, водород основная составная часть звёзд и межзвёздного газа. В условиях звёздных температур (например, температура поверхности Солнца ~ 6000 °С) и межзвёздного пространства, пронизанного космическим излучением, этот элемент существует в виде отдельных атомов. В космосе Атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения). Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2 ). Водород в атмосфере

Состав сухого воздуха Газ Содержание по объёму, % Содержание по массе, % Азот 78,08475,50 Кислород 20,94623,10 Аргон 0,9321,286 Углекислый газ 0,0320,046 Неон 1,818×10 3 1,3×10 3 Гелий 4,6×10 4 7,2×10 5 Метан 1,7×10 4 Криптон 1,14×10 4 2,9×10 4 Водород 5×10 5 7,6×10 5 Ксенон 8,7×10 6 Закись азота 5×10 5 7,7×10 5

Массовая доля водорода в земной коре составляет 0,9 % это девятый по распространённости элемент. Однако его роль в природе определяется не массой, а числом атомов, доля которых среди остальных элементов составляет 17% (второе место после кислорода, доля атомов которого равна ~ 52%). Поэтому значение водорода в химических процессах, происходящих на Земле, почти так же велико, как и кислорода. В отличие от кислорода, существующего на Земле и в связанном, и в свободном состояниях, практически весь водород на Земле находится в виде соединений; лишь в очень незначительном количестве водород в виде простого вещества содержится в атмосфере (0,00005% по объёму). Водород в земной коре Распространённость химических элементов в земной коре. (Числа отвечают массовому содержанию элементов (в %)

Изотопы водорода Изотоп Распространенность Период полураспада H 1, протий 99,985% H 2 = D, дейтерий 0,015% H 3 = T, тритий> ,36 лет Физические, химические энергетические свойства водорода

Свойства атома водорода Латинское название:Hydrogenium ОбозначениеH Порядковый номер 1 Период/группа 1/IА Сериянеметалл Атомная масса 1,00794 Атомный радиус 0,79 Å Атомный объём 14,4 см 3 /моль Ковалентный радиус 0,32 Å Электронное строение 1s 1 Степени окисления+1 1 Потенциалы ионизации 13,595 эВ Высший оксидH2OH2O Плотность вероятности для электрона при различных значениях главного квантового числа n

Свойства молекулы водорода а – фазы волновых функций совпадают; наблюдается конструктивная интерференция, и в результате образуется молекулярная орбиталь с высокой плотностью в области между ядрами (в); б – фазы волновых функций не совпадают; возникает деструктивная интерференция, в результате образуется молекулярная орбиталь с низкой плотностью между атомами (г). РЕЗУЛЬТАТЫ ПЕРЕКРЫТИЯ 1S-ОРБИТАЛЕЙ АТОМОВ ВОДОРОДА Энергия диссоциации 4,776 эВ Межатомное расстояние 0,7414Å степень диссоциации при 2000°С 0,0013 степень диссоциации при 5000°С 0,95

Химическая формулаH2H2 Температура плавления 255,34°C Теплота плавления 117 Дж/моль Температура кипения 252,87°C Теплота испарения 904 Дж/моль При 0 °C Агрегатное состояние газ Плотность 0, кг/м 3 Цвет,Вкус, Запахнет Скорость звука 1284 м/с Удельная теплоёмкость 14,267 Дж/(моль·K) Вязкость 8,94 ·10 -6 Па·с Теплопроводность 0,1815 Вт/(м·K) Магнитная восприимчивость-1,9867 ·10 -9 м 3 /кг Свойства водорода

При 252,8 °C Агрегатное состояние жидкость Плотность 70,8 кг/м 3 Скорость звука 1127 м/с Теплопроводность 0,100 Вт/(м·K) Вязкость 14 ·10 -6 Па·с Магнитная восприимчивость-2,7 ·10 -9 м 3 /кг При 262 °C Агрегатное состояние твердое тело Плотность 80,8 кг/м 3 Кристаллическая решётка гексагональная Период решётки 3,750 Å Отношение c/a решётки 1,731 Температура Дебая 110 K Характеристики водорода в различных агрегатных состояниях

Сравнительные энергетические характеристики водорода Удельная теплота сгорания веществ, Дж/кг Порох 3,8·10 6 Мазут 39,2·10 6 Торф 8,1·10 6, 15·10 6 Керосин 40,8·10 6 Щепа (опил) 9,7·10 6 Дизельное топливо 42,7·10 6 Дрова (березовые, сосновые) 10,2·10 6 Топливо для реактивных самолетов (ТС–1) 43·10 6 Бытовой газ 13,25·10 6 Бензин 44·10 6, 42·10 6 Бурый уголь 15·10 6, 14,7·10 6 Пропан 47,54·10 6 Сероводород 15,6·10 6 Этилен 48,0·10 6 Каменный уголь 22·10 6, 29,3·10 6 Метан 50,1·10 6 Спирт этиловый 25·10 6 Водород 120,9·10 6 Древесный уголь 31·10 6 Условное топливо 29,308·10 6 (7000 ккал/кг)

При сжигании или в присутствии платинового катализатора реагирует с кислородом O 2 + 2H 2 = 2H 2 O, с образованием воды. Реакция протекает с взрывом. Смесь двух объёмов водорода и одного объёма кислорода называется гремучим газом. Взаимодействие с неметаллами. Параметры и модель молекулы воды в равновесном состоянии

При нагревании водород обратимо взаимодействует с серой: S + H 2 = H 2 S с образованием сероводорода. Сероводород встречается в природе в составе нефти, природного газа, вулканического газа и в горячих источниках. Термически неустойчив (при температурах больше 400 °C разлагается на простые вещества S и H 2 ), ядовитый газ тяжелее воздуха с неприятным запахом тухлых яиц. Молекула сероводорода имеет угловую форму, поэтому она полярная (μ = 0, Клм). В отличие от молекул воды, молекулы сероводорода не образуют прочных водородных связей, поэтому H 2 S газ. Насыщенный водный раствор H 2 S является сероводородной кислотой.

С азотом при нагревании, повышенном давлении и в присутствии катализатора (железо): N 2 + 3H 2 = 2NH 3 образует аммиак. Параметры и модель молекулы аммиака в равновесном состоянии

Реакция с фтором протекает со взрывом в темноте и при любой температуре. Фтороводород (HF) бесцветный газ с резким запахом, при комнатной температуре существует преимущественно в виде димера H 2 F 2. Ниже 19,9°C бесцветная подвижная жидкость. Хорошо растворим в воде в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. Образует азеотропную смесь с концентрацией 35,4% HF. F 2 + H 2 2HF

При сильном нагревании взаимодействует с сажей с образованием метана: C + 2H 2 = CH 4 Взаимодействие со щелочными и щёлочноземельными металлами. При высокой температуре водород соединяется с щелочными и щелочноземельными металлами, образуя белые кристаллические вещества - гидриды металлов (LiН, NaН, КН, СаН 2 и др.). В этих соединениях металл имеет положительную степень окисления, водород – отрицательную. Гидриды металлов легко разлагаются водой с образованием соответствующей щелочи и водорода: СаH 2 + 2Н 2 О = Са(ОН) 2 + 2Н 2 Взаимодействие с оксидами металлов При нагревании водород восстанавливает многие металлы из их оксидов. Например, CuO + H 2 Cu + H 2 O Fe 2 O 3 + 3H 2 2Fe + 3H 2 O WO 3 + 3H 2 W + 3H 2 O

Гидрогенизация (гидрирование) реакция присоединения водорода по кратной связи, обычно в присутствии катализаторов: Этилен гидрируется до метана: С 2 Н 4 + Н 2 = 2СН 3 в присутствии никелевого катализатора и повышенной температуре Окись этилена гидрируется до этанола (этиловый спирт): СН 3 СНО + Н 2 = СН 3 СН 2 ОН. Отщепление водорода от соединений называется дегидрогенизацией. Гидрогенизация и дегидрогенизация связаны динамическим равновесием. Наиболее важные промышленные процессы гидрогенизация синтез циклогексана из бензола, синтез метилового спирта из СО и Н 2, синтез насыщенных жиров из ненасыщенных (получение маргарина), синтез искусственного жидкого топлива. В качестве катализаторов применяют Ni, Pt, Co, Fe, Pd, Cu, V и др. Реакция, как правило, проходит при повышенной температуре и/или повышенном давлении. Для проведения реакции в таких условиях необходим взрывобезопасный химический реактор. Гидрирование органических соединений.